Гомогенізатори – принцип роботи, застосування та масштабування

Гомогенізатори – це тип міксерів, які застосовують механічні сили для змішування, емульгування, диспергування та розчинення систем рідина-рідина і тверде тіло-рідина. Залежно від моделі гомогенізатора, для створення необхідних сил, щоб роз’єднувати та руйнувати тверді частинки, а також краплі рідини, використовуються роторне зсувне навантаження, насадки або високоефективний ультразвук. Дізнайтеся більше про пристрої-гомогенізатори та їх застосування в дослідженнях і виробництві!

Що таке гомогенізатор?

Гомогенізатор – це клас змішувальних пристроїв, призначених для подрібнення частинок, як твердих, так і рідких, до однорідної суміші. Гомогенізатори доступні як лабораторне, настільне та промислове обладнання, що використовується для різних застосувань у дослідженнях і промисловості. Типове застосування гомогенізаторів включає змішування та подрібнення різних матеріалів, зокрема частинок, пігментів, хімікатів, рослин, продуктів харчування, клітин, тканин тощо.

Зв’яжіться з нами, щоб дізнатися більше про гомогенізатори, ультразвукову обробку та про те, як ви можете використовувати наші соникатори для вашого процесу!

Огляд різних типів гомогенізаторів

Різні типи гомогенізаторів комерційно доступні для використання у настільному та промисловому великомасштабному виробництві. Однак найбільш поширеними моделями є роторно-статорні (колоїдні) міксери, гомогенізатори високого тиску та ультразвукові гомогенізатори.
Імпелерні або лопатеві міксери мають обертову лопать, яка обертається на високій швидкості на дні змішувальної ємності, тим самим поєднуючи різні матеріали в однорідну суміш.
Як випливає з назви роторно-статорного міксера, він має роторну та статорну частини. Ротор – це металевий вал, який обертається на високих швидкостях всередині статора. Статор – це металева частина, що залишається нерухомою. Обертання ротора створює ефект всмоктування, який переміщує матеріал «тверде тіло-рідина» між статором і ротором, де тверді частинки зменшуються до меншого розміру.
Принцип роботи гомогенізатора високого тиску (HPH) базується на використанні насоса високого тиску та клапана (насадки, отвору), що робить обладнання великим, важким і дорогим. Оброблювана суспензія примусово пропускається з високою швидкістю потоку через малий отвір, що зменшує розмір частинок, оскільки частинкам потрібен певний малий розмір, щоб пройти через клапан. Особливо при обробці твердих речовин HPH схильні до засмічення.
Ультразвукові гомогенізатори використовують високозсувні сили, що генеруються акустичною кавітацією, що надає їм різні переваги порівняно з іншими методами гомогенізації. Принцип роботи та переваги ультразвукової гомогенізації наведені нижче.

Високопотужний ультразвук як сила гомогенізації

Ультразвуковий гомогенізатор використовує високі інтенсивності ультразвукових вібрацій та кавітацію для створення дуже інтенсивних зсувних сил і тому може називатися надінтенсивним високосдвиговим змішувачем. Секретом надінтенсивних високосдвигових сил є акустична кавітація, яка генерується високими потужностями ультразвукових хвиль. Ультразвуковий гомогенізатор має генератор, який є блоком живлення та управління, і перетворювач. Перетворювач містить п’єзоелектричну кераміку. Ця п’єзоелектрична кераміка перетворює електричну енергію на коливання, оскільки п’єзоелектричні кристали змінюють свій розмір і форму при подачі напруги. Коли частота електронного осцилятора дорівнює власній частоті п’єзоелектричного кварцу, виникає резонанс. За умов резонансу кварц виробляє поздовжні ультразвукові хвилі великої амплітуди.
Згенеровані ультразвукові хвилі потім передаються через ультразвуковий зонд (сонотрод / ріг) у процесне середовище. Амплітуда на ультразвуковому зонді визначає інтенсивність ультразвукових хвиль, які передаються в рідину або суспензію. Ультразвукові хвилі створюють чергування циклів високого і низького тиску в рідких середовищах. Під час циклу низького тиску високі інтенсивності ультразвукових хвиль створюють у рідині малі вакуумні бульбашки. Під час циклу високого тиску малі вакуумні бульбашки руйнівно колапсують. Це явище називається кавітацією. Імплосія кавітаційних бульбашок також може генерувати рідинні струмені зі швидкістю до 280 m/s, що призводить до потужних зсувних сил. Зсувні сили руйнують частинки, спричиняють зіткнення між частинками та механічно руйнують краплі та клітини, сприяючи водночас високоефективному масопереносу. Ці кавітаційні сили створюють однорідні та гомогенні дисперсії, емульсії та суспензії і також відомі тим, що сприяють хімічним реакціям (так звана сонохімія).

Акустична кавітація (генерована високими потужностями ультразвуку) створює локальні екстремальні умови, так звані сономеханічні та сонохімічні ефекти. Завдяки цим ефектам ультразвукова обробка зменшує тверді та рідкі частинки і змішує їх у гомогенну формуляцію.

Переваги використання сонікаторів як гомогенізаторів

Ультразвукові гомогенізатори є найкращими, коли йдеться про виробництво суспензій та розчинів тверде-рідке (так звані шлами) і рідке-рідке. Оскільки сонікатори використовують робочий принцип ультразвукової кавітації, матеріал має бути вологим або у вологій фазі, оскільки кавітація виникає лише в рідинах. Це означає, що сонікатор не буде дуже ефективним у змішуванні сухого порошку, але щойно порошок стане вологим, ультразвукова обробка є найефективнішим методом змішування. Ультразвукові гомогенізатори добре відомі тим, що надійно змішують, гомогенізують та диспергують навіть пасти та високов’язкі матеріали. Надзвичайно інтенсивні сили, спричинені імплосією кавітаційних бульбашок, створюють не лише дуже потужні високосдвигові сили, а й локально обмежені високі температури та тиски, а також відповідні градієнти. Ця комбінація фізичних сил руйнує частинки до значно менших розмірів, ніж звичайний гомогенізатор. Тому ультразвукові гомогенізатори є бажаним обладнанням для надійного виробництва нанорозмірних емульсій та дисперсій.

Застосування ультразвукових гомогенізаторів

Ультразвукові гомогенізатори широко використовуються в лабораторних та промислових умовах для гомогенізації суспензій тверде-рідина та рідина-рідина, зменшення розміру частинок, руйнування та екстракції біологічного матеріалу, інтенсифікації хімічних реакцій та розчинення розчинних сполук.

Ультразвукова емульсифікація

Емульсифікація – це процес змішування двох або більше незмішуваних рідин для отримання стабільної або напівстабільної суміші. Загалом ці дві рідини складаються з оліїної фази та водної фази. Для стабілізації суміші різних рідких фаз додають емульгатор (ПАР / ко-ПАР). Розмір крапель емульсії відіграє вирішальну роль щодо функціональності та стабільності емульсії. Оскільки потужний ультразвук створює сономеханічні сили, які руйнують краплі та зменшують їх до мікроскопічних крапель, ультразвукова обробка є дуже популярним методом для виробництва мікро- та нано-емульсій. Ультразвукові гомогенізатори є надійним інструментом для виробництва емульсій O/W та W/O, інверсних емульсій, подвійних емульсій (O/W/O, W/O/W), міні-емульсій, а також емульсій Пікерінга. Завдяки цій гнучкості та надійній емульсифікуючій здатності ультразвукові гомогенізатори (іноді також називані ультразвуковими емульгаторами при використанні для емульсифікації) використовуються, наприклад, у хімічній, харчовій, фармацевтичній та паливній промисловості для виробництва довгостроково стабільних емульсій.
Натисніть на наступні посилання, щоб дізнатися більше про нано-емульсії та емульсії Пікерінга!

Ультразвукова дисперсія

Ультразвукові гомогенізатори є дуже ефективними, коли необхідно надійно зменшити розмір агломератів частинок, агрегатів та навіть первинних частинок. Перевагою ультразвукових гомогенізаторів є їхня здатність подрібнювати частинки до менших та більш однорідних розмірів, чи то мікронні, чи наночастинки як результат процесу. Кавітаційні зсувні сили та потоки рідини прискорюють частинки так, що вони зіштовхуються одна з одною. Це відомо як міжчастинкове зіткнення. Самі частинки діють як подрібнювальне середовище, що уникає забруднення подрібнювальними кулями та наступного процесу відділення, який необхідний при використанні звичайних кульових млинів. Оскільки частинки стикаються через міжчастинкове зіткнення на дуже високих швидкостях до 280 м/с, на частинки діють надзвичайно високі сили, тому вони розпадаються на дрібні фракції. Тертя та ерозія надають цим уламкам частинок поліровану поверхню та однорідну форму. Поєднання зсувних сил та міжчастинкового зіткнення надає ультразвуковій гомогенізації та дисперсії перевагу, забезпечуючи високосаморідні колоїдні суспензії та дисперсії!
Нижче наведена послідовність зображень ілюструє кавітаційні сили ультразвуку на графітових пластинках.

Послідовність кадрів високої швидкості (від a до f), що ілюструє сономеханічне розшарування графітової пластинки у воді за допомогою UP200S, 200W ультразвукового обробника з 3-mm сонотродом. Стрілки показують місце розщеплення (розшарування) з проникненням кавітаційних бульбашок у розщеп.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Дисперсія та гомогенізація наноматеріалів

Як для емульсій, так і для дисперсій, приготування нанорозмірних сумішей є складним завданням. Більшість звичайних методів гомогенізації та змішування, таких як лопатеві мішалки, кульові млини, гомогенізатори високого тиску та інші змішувачі, здатні виробляти мікронні частинки, але вони не можуть надійно розбивати краплі та тверді речовини до нанорозміру. Це зумовлено переважно недостатньою інтенсивністю. Наприклад, лопатеві мішалки не забезпечують достатнього зсуву для подрібнення частинок до нанорозміру. Кульові млини, інший тип гомогенізатора, не можуть однаково подрібнювати тверді речовини до розміру частинок, меншого за самі кулі (мелюче середовище). Звичайні мелючі кулі мають середній розмір від 1 500 mm до 35 000 mm. Іншою проблемою є забруднення внаслідок зносу мелючого середовища. Оскільки ультразвукові апарати забезпечують надзвичайно високі, але точно контрольовані зсувні сили, ультразвукова кавітація є бажаним методом для надійного виробництва нанодисперсій та наноемульсій у лабораторних (R&D), пілотних та промислових умовах.

Масштабування процесів ультразвукової гомогенізації

При переході від лабораторного ультразвукового гомогенізатора до пілотного ультразвукового апарату, а від пілотної системи до повномасштабного промислового ультразвукового гомогенізатора, масштабування може бути застосовано повністю лінійно! Усі важливі параметри процесу, такі як амплітуда, тиск, температура та час обробки, залишаються незмінними; лише площа поверхні ультразвукового зонда та ультразвукового апарату як енергетичного агітатора зонда масштабуються до більших, потужніших установок. Лінійна масштабованість процесів ультразвукової гомогенізації дозволяє отримувати у великому виробництві ті ж високоякісні результати, що й у лабораторних та пілотних умовах.

Знайдіть найбільш підходящий ультразвуковий гомогенізатор для вашого процесу!

Hielscher Ultrasonics є вашим партнером із багаторічним досвідом у сфері ультразвукових гомогенізаторів. Усі ультразвукові апарати Hielscher розробляються, виробляються та тестуються на нашій головній базі в Німеччині перед відправкою нашим клієнтам по всьому світу. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher – це високоякісні пристрої, що характеризуються постійною високою продуктивністю, надійністю, міцністю та зручністю в експлуатації. Технічна досконалість технології ультразвукової гомогенізації надає користувачам обладнання Hielscher конкурентні переваги, які роблять їх лідерами ринку у своїй галузі. Завдяки широкому асортименту продукції від лабораторних та настільних гомогенізаторів, пілотних систем і повністю промислових ультразвукових гомогенізаторів для комерційного виробництва, Hielscher має ідеальну систему ультразвукового змішування для ваших потреб. Різноманітні аксесуари дозволяють створити ідеальну конфігурацію ультразвукового гомогенізатора, що відповідає індивідуальним вимогам.
Повідомте нам про вимоги та специфікації вашого процесу – ми з радістю порекомендуємо вам найбільш підходящий та ефективний ультразвуковий гомогенізатор для вашого застосування!

Висока ефективність за допомогою ультразвукових гомогенізаторів

Завдяки надзвичайній ефективності процесу, розумним інвестиційним витратам, дуже високій енергоефективності та низьким витратам на робочу силу та обслуговування, ультразвукові гомогенізатори Hielscher перевершують звичайні техніки гомогенізації та досягають швидкого RoI (повернення інвестицій). Часто ультразвуковий гомогенізатор окупається протягом кількох місяців.

Високопотужний ультразвук для промислової гомогенізації

Амплітуда є найважливішим параметром процесу в процесах гомогенізації, керованих ультразвуком. Усі ультразвукові гомогенізатори Hielscher дозволяють точно контролювати амплітуду. Залежно від цілі процесу можна встановити нижчу амплітуду для м’якших умов обробки або обрати високу амплітуду для більш руйнівних результатів диспергування. Промислові соникатори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі безперервної роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.

Низькі вимоги до обслуговування ультразвукових гомогенізаторів

Ультразвукові гомогенізатори не лише легко очищувати, оскільки сонотрод і реактор є єдиними компонентами, які є контактними частинами і контактують з оброблюваним матеріалом. Сонотрод (також відомий як ультразвуковий ріжок або зонд) і реактор виготовлені з титану та нержавіючої сталі відповідно і мають чисті геометричні форми без отворів чи мертвих зон.
Єдиною частиною, яка піддається зносу, є ультразвуковий зонд, який можна замінити без суттєвого порушення роботи. Сонотрод лабораторного ультразвукового гомогенізатора змінюється за приблизно 10 хв, тоді як заміна сонотрода промислового ультразвукового гомогенізатора може зайняти приблизно 30–45 хв.

Зв’яжіться з нами зараз! Наша досвідчена команда буде рада надати технічну інформацію та рекомендації щодо процесів!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: